Un equipo conjunto de científicos de la Universidad de California, Orilla, y el Instituto de Tecnología de Massachusetts se está acercando a confirmar la existencia de una partícula cuántica exótica llamada fermión de Majorana, crucial para la computación cuántica tolerante a fallas, el tipo de computación cuántica que aborda los errores durante su operación.

La computación cuántica utiliza fenómenos cuánticos para realizar cálculos. Los fermiones de Majorana existen en el límite de superconductores especiales llamados superconductores topológicos, que tienen un espacio superconductor en su interior y albergan fermiones de Majorana en el exterior, en sus límites. Los fermiones de Majorana son uno de los objetos más buscados en la física cuántica porque son sus propias antipartículas, pueden dividir el estado cuántico de un electrón por la mitad, y siguen estadísticas diferentes en comparación con los electrones. Aunque muchos han afirmado haberlos identificado, los científicos aún no pueden confirmar su exótica naturaleza cuántica.

El equipo de UCR-MIT superó el desafío desarrollando un nuevo sistema de material de heteroestructura, a base de oro, que podría usarse potencialmente para demostrar la existencia y la naturaleza cuántica de los fermiones de Majorana. Los materiales de heteroestructura se componen de capas de materiales drásticamente diferentes que, juntos, muestran funcionalidades completamente diferentes en comparación con sus capas individuales.

"No es nada trivial encontrar un sistema material que sea naturalmente un superconductor topológico, "dijo Peng Wei, profesor asistente de física y astronomía y experimentalista de materia condensada, quién codirigió el estudio, apareciendo en Cartas de revisión física , con Jagadeesh Moodera y Patrick Lee del MIT. "Un material necesita satisfacer varias condiciones estrictas para convertirse en un superconductor topológico".

El fermión de Majorana, considerado la mitad de un electrón, Se predice que se encontrará en los extremos de un nanoalambre superconductor topológico. Curiosamente, dos fermiones de Majorana pueden combinarse entre sí para formar un electrón, permitir que los estados cuánticos del electrón se almacenen de manera no local, una ventaja para la computación cuántica tolerante a fallas.

En 2012, Teóricos del MIT, dirigido por Lee, predijo que las heteroestructuras de oro pueden convertirse en un superconductor topológico en condiciones estrictas. Los experimentos realizados por el equipo de la UCR-MIT han logrado todas las condiciones necesarias para las heteroestructuras de oro.

"Lograr tal heteroestructura es muy exigente porque primero es necesario abordar varios desafíos de la física de los materiales, "dijo Wei, un alumno de la UCR que regresó al campus en 2016 del MIT.

Wei explicó que el trabajo de investigación muestra superconductividad, magnetismo, y el acoplamiento espín-órbita de los electrones puede coexistir en el oro, un desafío difícil de cumplir, y mezclarse manualmente con otros materiales a través de heteroestructuras.

"La superconductividad y el magnetismo normalmente no coexisten en el mismo material, " él dijo.

El oro no es un superconductor, él agregó, y tampoco los estados de los electrones en su superficie.

"Nuestro artículo muestra por primera vez que la superconductividad se puede llevar a los estados superficiales del oro, requiriendo nueva física, ", dijo." Demostramos que es posible hacer que el estado de la superficie del oro sea un superconductor, que nunca se ha mostrado antes ".

El artículo de investigación también muestra que se puede ajustar la densidad de electrones de la superconductividad en los estados superficiales del oro.

"Esto es importante para la manipulación futura de los fermiones de Majorana, necesarios para una mejor computación cuántica, "Wei dijo." Además, el estado de la superficie del oro es un sistema bidimensional que es naturalmente escalable, lo que significa que permite la construcción de circuitos de fermiones de Majorana ".

Además de Wei, Moodera, y Lee, el equipo de investigación también incluye a Sujit Manna y Marius Eich del MIT.